JP4675579B2 - 光エネルギー吸収比率の測定方法、光エネルギー吸収比率の測定装置および熱処理装置 - Google Patents

光エネルギー吸収比率の測定方法、光エネルギー吸収比率の測定装置および熱処理装置 Download PDF

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Description

本発明は、パターン形成がなされていない無地基板に対する処理対象基板の光エネルギー吸収比率を測定する測定方法および装置並びにそのような測定技術を採用した熱処理装置に関する。
従来より、イオン注入後の半導体ウェハーのイオン活性化工程においては、ハロゲンランプを使用したランプアニール装置等の熱処理装置が使用されている。このような熱処理装置においては、半導体ウェハーを、例えば、１０００℃ないし１１００℃程度の温度に加熱（アニール）することにより、半導体ウェハーのイオン活性化を実行している。そして、このような熱処理装置においては、ハロゲンランプより照射される光のエネルギーを利用することにより、毎秒数百度程度の速度で基板を昇温する構成となっている。
ところが、ハロゲンランプにより毎秒数百度程度の速度で半導体ウェハーを昇温する熱処理装置を使用して半導体ウェハーのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウェハーに打ち込まれたイオンのプロファイルがなまる、すなわち、熱によりイオンが拡散してしまうという現象が生ずることが判明した。このような現象が発生した場合においては、半導体ウェハーの表面にイオンを高濃度で注入しても、注入後のイオンが拡散してしまうことから、イオンを必要以上に注入しなければならないという問題が生じていた。
上述したイオン拡散の問題を解決するため、キセノンフラッシュランプ等を使用して半導体ウェハーの表面に閃光を照射することにより、イオンが注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリセカンド以下）に昇温させる技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。キセノンフラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、イオンが拡散するための十分な時間がないため、半導体ウェハーに打ち込まれたイオンのプロファイルをなまらせることなく、イオン活性化のみを実行することができるのである。
特開昭５９−１６９１２５号公報 特開昭６３−１６６２１９号公報
ところが、キセノンフラッシュランプを使用した熱処理装置では極めて短時間に非常に巨大な光エネルギーをウェハー表面に照射するため、その表面温度が急速に上昇し、ウェハーの表面のみが急激に膨張することとなる。そして、キセノンフラッシュランプから照射するエネルギーが過剰であると、表面のみが急激に膨張した結果ウェハー表面にスリップが生じたり、最悪の場合ウェハー割れが生じることが判明している。一方、照射エネルギーが少ないとイオン活性化を行うことができない。従って、キセノンフラッシュランプから照射する光エネルギーの範囲を適正化することが重要となる。
一般に、照射時間が極めて短いフラッシュランプの場合、半導体ウェハーの温度測定結果に基づくランプ出力のフィードバック制御は不可能であるため、パターン形成のなされていない無地のベアウェハーにイオン注入を行い、そのイオン注入がなされた無地のウェハーに実際に光照射を行ってから処理後の特性（例えばシート抵抗値等）を測定し、その結果に基づいてキセノンフラッシュランプから照射される光エネルギーを調整するようにしている。
しかしながら、実際に処理対象となるウェハーはパターン形成がなされたものであり、無地のウェハーとは光吸収特性が異なることが多い。通常、同じエネルギーの光を照射したとしても、パターン形成のなされたウェハーの方が無地ウェハーよりも多くの光エネルギーを吸収する傾向にある。このため、無地ウェハーにて照射エネルギーの適正化を行ったとしても、実際に処理するウェハーではより多くの光エネルギーを吸収した結果ウェハー割れが生じたりするという問題が発生していた。これを防止するためには、無地ウェハーでの適正照射エネルギー値に対して処理対象のウェハー毎に補正を行わなければならない。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、パターン形成がなされていない無地基板に対する処理対象基板の光エネルギー吸収比率を簡易に測定することができる方法および装置を提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、熱処理時に処理対象基板にダメージを与えることを防止することができる熱処理装置を提供することを第２の目的とする。
上記第１の目的を達成するため、請求項１の発明は、パターン形成がなされずにイオンが注入された無地基板に対する処理対象基板の光エネルギー吸収比率を測定する測定方法において、反射率が既知の標準基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して標準反射強度を得る工程と、前記無地基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して無地基板反射強度を得る工程と、前記処理対象基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して処理対象基板反射強度を得る工程と、前記標準反射強度および前記無地基板反射強度から前記無地基板が吸収した光エネルギーを算出する工程と、前記標準反射強度および前記処理対象基板反射強度から前記処理対象基板が吸収した光エネルギーを算出する工程と、前記無地基板が吸収した光エネルギーおよび前記処理対象基板が吸収した光エネルギーから前記無地基板に対する前記処理対象基板の光エネルギー吸収比率を算出する工程と、を備える。
また、請求項２の発明は、パターン形成がなされずにイオンが注入された無地基板に対する処理対象基板の光エネルギー吸収比率を測定する請求項１の発明に係る測定方法を実施するための測定装置において、反射率が既知の標準基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して標準反射強度を取得する標準反射強度取得手段と、前記無地基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して無地基板反射強度を取得する無地基板反射強度取得手段と、前記処理対象基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して処理対象基板反射強度を取得する処理対象基板反射強度取得手段と、前記標準反射強度および前記無地基板反射強度から前記無地基板が吸収した光エネルギーを算出する無地基板吸収エネルギー算出手段と、前記標準反射強度および前記処理対象基板反射強度から前記処理対象基板が吸収した光エネルギーを算出する処理対象基板吸収エネルギー算出手段と、前記無地基板が吸収した光エネルギーおよび前記処理対象基板が吸収した光エネルギーから前記無地基板に対する前記処理対象基板の光エネルギー吸収比率を算出する吸収比率算出手段と、を備える。
また、請求項３の発明は、処理対象基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置において、パターン形成がなされずにイオンが注入された無地基板に照射する光のエネルギー値と該無地基板の温度との相関関係が既知であり、処理対象基板を保持する保持手段と、ランプを有し、前記保持手段に保持された処理対象基板に所定エネルギーの光を照射する照射手段と、請求項２の発明に係る測定装置と、前記測定装置によって求められた光エネルギー吸収比率および前記相関関係に基づいて、前記照射手段から前記処理対象基板に光が照射されたときの該処理対象基板の温度を算出する温度算出手段と、を備える。
また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る熱処理装置において、前記温度算出手段によって算出された温度が所定の閾値を超えていたときに警告を発する警告発生手段をさらに備える。
請求項１の発明によれば、反射率が既知の標準基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して標準反射強度を得る工程と、パターン形成がなされていない無地基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して無地基板反射強度を得る工程と、処理対象基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して処理対象基板反射強度を得る工程と、標準反射強度および無地基板反射強度から無地基板が吸収した光エネルギーを算出する工程と、標準反射強度および処理対象基板反射強度から処理対象基板が吸収した光エネルギーを算出する工程と、無地基板が吸収した光エネルギーおよび処理対象基板が吸収した光エネルギーから無地基板に対する処理対象基板の光エネルギー吸収比率を算出する工程と、を備えるため、無地基板に対する処理対象基板の光エネルギー吸収比率を簡易に測定することができる。
また、請求項２の発明によれば、反射率が既知の標準基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して標準反射強度を取得する標準反射強度取得手段と、無地基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して無地基板反射強度を取得する無地基板反射強度取得手段と、処理対象基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して処理対象基板反射強度を取得する処理対象基板反射強度取得手段と、標準反射強度および無地基板反射強度から無地基板が吸収した光エネルギーを算出する無地基板吸収エネルギー算出手段と、標準反射強度および処理対象基板反射強度から処理対象基板が吸収した光エネルギーを算出する処理対象基板吸収エネルギー算出手段と、無地基板が吸収した光エネルギーおよび処理対象基板が吸収した光エネルギーから無地基板に対する処理対象基板の光エネルギー吸収比率を算出する吸収比率算出手段と、を備えるため、無地基板に対する処理対象基板の光エネルギー吸収比率を簡易に測定することができる。
また、請求項３の発明によれば、請求項２に記載の測定装置によって求められた光エネルギー吸収比率および無地基板に照射する光のエネルギー値と該無地基板の温度との相関関係に基づいて、照射手段から処理対象基板に光が照射されたときの該処理対象基板の温度を算出するため、熱処理前に処理対象基板の到達温度が判明し、熱処理時に処理対象基板にダメージを与えることを防止することができる。
また、請求項４の発明によれば、算出された温度が所定の閾値を超えていたときに警告を発するため、熱処理時に処理対象基板にダメージを与えることをより確実に防止することができる。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜１．第１実施形態＞
図１は本発明にかかる熱処理装置１００を示す平面図であり、図２は正面図である。なお、図１および図２において適宜部分的に断面図としており、細部については適宜簡略化している。また、図１，２および以降の各図においては、それらの方向関係を明確にするため必要に応じてＺ軸方向を鉛直方向とし、ＸＹ平面を水平面とするＸＹＺ直交座標系を付している。
図１および図２に示すように熱処理装置１００は、２つのキャリア９１が載置される基板収容部（インデクサ）１１０、基板収容部１１０に対して半導体ウェハーＷの出し入れを行う受渡ロボット１２０、未処理の半導体ウェハーＷの位置決めを行う位置決め部（アライナ）１３０、処理済の半導体ウェハーＷの冷却を行う冷却部（クーラ）１４０、位置決め部１３０、冷却部１４０等に対して半導体ウェハーＷの出し入れを行う搬送ロボット１５０、および、半導体ウェハーＷにフラッシュ加熱処理を施す処理部１６０を有する。
また、搬送ロボット１５０による半導体ウェハーＷの搬送空間として搬送ロボット１５０を収容する搬送室１７０が設けられており、位置決め部１３０、冷却部１４０および処理部１６０が搬送室１７０に連結されて配置されている。
基板収容部１１０はキャリア９１が無人搬送車（ＡＧＶ）等により搬送されて載置される部位であり、半導体ウェハーＷはキャリア９１に収容された状態で熱処理装置１００に対して搬出入される。また、基板収容部１１０では、受渡ロボット１２０による任意の半導体ウェハーＷの出し入れを行うことができるようにキャリア９１が矢印９１Ｕにて示す如く昇降移動されるように構成されている。
受渡ロボット１２０は、矢印１２０Ｓにて示すようにスライド移動可能であるとともに矢印１２０Ｒにて示すように回動可能とされており、これにより、２つのキャリア９１に対して半導体ウェハーＷの出し入れを行い、さらに、位置決め部１３０および冷却部１４０に対して半導体ウェハーＷの受け渡しを行う。
なお、受渡ロボット１２０によるキャリア９１に対する半導体ウェハーＷの出し入れは、ハンド１２１のスライド移動、および、キャリア９１の昇降移動により行われる。また、受渡ロボット１２０と位置決め部１３０または冷却部１４０との半導体ウェハーＷの受け渡しは、ハンド１２１のスライド移動、および、ピン（位置決め部１３０や冷却部１４０において半導体ウェハーＷを突き上げるピン）による半導体ウェハーＷの昇降移動により行われる。
受渡ロボット１２０から位置決め部１３０へは半導体ウェハーＷの中心が所定の位置に位置するように半導体ウェハーＷが渡される。そして、位置決め部１３０は半導体ウェハーＷを回転させて半導体ウェハーＷを適切な向きに向ける。また、位置決め部１３０は後述の吸収比率測定装置を備えており、その吸収比率測定装置によって熱処理に供される半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率を測定する。
搬送ロボット１５０は鉛直方向を向く軸を中心に矢印１５０Ｒにて示すように旋回可能とされるとともに、複数のアームセグメントからなる２つのリンク機構を有し、２つのリンク機構の末端にはそれぞれ半導体ウェハーＷを保持する搬送アーム１５１ａ，１５１ｂが設けられる。これらの搬送アーム１５１ａ，１５１ｂは上下に所定のピッチだけ隔てて配置され、リンク機構によりそれぞれ独立して同一水平方向に直線的にスライド移動可能とされている。また、搬送ロボット１５０は２つのリンク機構が設けられるベースを昇降移動することにより、所定のピッチだけ離れた状態のまま２つの搬送アーム１５１ａ，１５１ｂを昇降移動させる。
搬送ロボット１５０が位置決め部１３０、処理部１６０または冷却部１４０を受け渡し相手として半導体ウェハーＷの受け渡し（出し入れ）を行う際には、まず、両搬送アーム１５１ａ，１５１ｂが受け渡し相手と対向するように旋回し、その後（または旋回している間に）昇降移動していずれかの搬送アームが受け渡し相手と半導体ウェハーＷを受け渡しする高さに位置する。そして、搬送アーム１５１ａ（１５１ｂ）を水平方向に直線的にスライド移動させて半導体ウェハーＷの受け渡しを行う。
処理部１６０はキセノンフラッシュランプ６９（以下、単に「フラッシュランプ６９」とも称する）からの閃光を半導体ウェハーＷに照射して加熱処理を行う部位である。この処理部１６０については後に詳述する。
処理部１６０にて処理が施された直後の半導体ウェハーＷは温度が高いため、搬送ロボット１５０により冷却部１４０に載置されて冷却される。冷却部１４０にて冷却された半導体ウェハーＷは処理済の半導体ウェハーＷとして受渡ロボット１２０によりキャリア９１に返却される。
また、既述のように、熱処理装置１００では搬送ロボット１５０の周囲が搬送室１７０で覆われ、この搬送室１７０に位置決め部１３０、冷却部１４０および処理部１６０が接続されるが、受渡ロボット１２０と位置決め部１３０および冷却部１４０との間にはそれぞれゲート弁１８１，１８２が設けられ、搬送室１７０と位置決め部１３０、冷却部１４０および処理部１６０との間にはそれぞれゲート弁１８３，１８４，１８５が設けられる。そして、位置決め部１３０、冷却部１４０および搬送室１７０の内部が清浄に維持されるようにそれぞれに窒素ガス供給部（図示省略）から高純度の窒素ガスが供給され、余剰の窒素ガスは適宜排気管から排気される。なお、半導体ウェハーＷが搬送される際に適宜これらのゲート弁が開閉される。
また、位置決め部１３０および冷却部１４０は受渡ロボット１２０と搬送ロボット１５０との間の互いに異なる位置に位置し、位置決め部１３０では半導体ウェハーＷの位置決めを行うために半導体ウェハーＷが一時的に載置され、冷却部１４０では処理済の半導体ウェハーＷを冷却するために半導体ウェハーＷが一時的に載置される。
次に、処理部１６０の構成についてさらに説明する。図３および図４は本発明にかかる熱処理装置１００の処理部１６０を示す側断面図である。この処理部１６０において、半導体ウェハー等の基板のフラッシュ加熱が行われる。
処理部１６０は、透光板６１、底板６２および一対の側板６３、６４からなり、その内部に半導体ウェハーＷを収納して熱処理するためのチャンバー６５を備える。チャンバー６５の上部を構成する透光板６１は、例えば、石英等の赤外線透過性を有する材料から構成されており、フラッシュランプ６９から出射された光を透過してチャンバー６５内に導くチャンバー窓として機能している。また、チャンバー６５を構成する底板６２には、後述するサセプタ７３および加熱プレート７４からなる保持手段を貫通して半導体ウェハーＷをその下面から支持するための支持ピン７０が立設されている。
また、チャンバー６５を構成する側板６４には、半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための開口部６６が形成されている。開口部６６は、軸６７を中心に回動するゲート弁６８により開閉可能となっている。半導体ウェハーＷは、開口部６６が開放された状態で、搬送ロボット１５０によりチャンバー６５内に搬入される。また、チャンバー６５内にて半導体ウェハーＷの熱処理が行われるときには、ゲート弁６８により開口部６６が閉鎖される。
チャンバー６５は光源５の下方に設けられている。光源５は、複数（本実施形態においては３０本）のフラッシュランプ６９と、リフレクタ７１とを内蔵する。複数のフラッシュランプ６９は、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が水平方向に沿うようにして互いに平行に列設されている。リフレクタ７１は、複数のフラッシュランプ６９の上方にそれらの全体を覆うように配設されている。
キセノンフラッシュランプ６９は、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設されたガラス管と、該ガラス管の外局部に巻回されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、そのときのジュール熱でキセノンガスが加熱されて光が放出される。このキセノンフラッシュランプ６９においては、予め蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。
光源５と透光板６１との間には、光拡散板７２が配設されている。この光拡散板７２は、赤外線透過材料としての石英ガラスの表面に光拡散加工を施したものが使用される。尚、光拡散板７２を使用しないかわりに、透光板６１に表面加工を施すようにしても良い。
フラッシュランプ６９から放射された光の一部は直接に光拡散板７２および透光板６１を透過してチャンバー６５内へと向かう。また、フラッシュランプ６９から放射された光の他の一部は一旦リフレクタ７１によって反射されてから光拡散板７２および透光板６１を透過してチャンバー６５内へと向かう。
チャンバー６５内には、加熱プレート７４とサセプタ７３とが設けられている。サセプタ７３は加熱プレート７４の上面に設置されている。また、サセプタ７３の表面には、半導体ウェハーＷの位置ずれ防止ピン７５が付設されている。
加熱プレート７４は、半導体ウェハーＷを予備加熱（アシスト加熱）するためのものである。この加熱プレート７４は、窒化アルミニウムにて構成され、その内部にヒータと該ヒータを制御するためのセンサとを収納した構成を有する。一方、サセプタ７３は、加熱プレート７４からの熱エネルギーを拡散して半導体ウェハーＷを均一に予備加熱する。このサセプタ７３の材質としては、石英や高純度セラミックス等が採用される。なお、加熱プレート７４と同様にサセプタ７３を窒化アルミニウムにて構成しても良い。
サセプタ７３および加熱プレート７４は、モータ４０の駆動により、図３に示す半導体ウェハーＷの搬入・搬出位置と図４に示す半導体ウェハーＷの熱処理位置との間を昇降する構成となっている。
すなわち、加熱プレート７４は、筒状体４１を介して移動板４２に連結されている。この移動板４２は、チャンバー６５の底板６２に釣支されたガイド部材４３により案内されて昇降可能となっている。また、ガイド部材４３の下端部には、固定板４４が固定されており、この固定板４４の中央部にはボールネジ４５を回転駆動するモータ４０が配設されている。そして、このボールネジ４５は、移動板４２と連結部材４６、４７を介して連結されたナット４８と螺合している。このため、サセプタ７３および加熱プレート７４は、モータ４０の駆動により、図３に示す半導体ウェハーＷの搬入・搬出位置と図４に示す半導体ウェハーＷの熱処理位置との間を昇降することができる。
図３に示す半導体ウェハーＷの搬入・搬出位置は、搬送ロボット１５０を使用して開口部６６から搬入した半導体ウェハーＷを支持ピン７０上に載置し、あるいは、支持ピン７０上に載置された半導体ウェハーＷを開口部６６から搬出することができるように、サセプタ７３および加熱プレート７４が下降した位置である。この状態においては、支持ピン７０の上端は、サセプタ７３および加熱プレート７４に形成された貫通孔を通過し、サセプタ７３の表面より上方に突出する。
一方、図４に示す半導体ウェハーＷの熱処理位置は、半導体ウェハーＷに対して熱処理を行うために、サセプタ７３および加熱プレート７４が支持ピン７０の上端より上方に上昇した位置である。サセプタ７３および加熱プレート７４が図３の搬入・搬出位置から図４の熱処理位置に上昇する過程において、支持ピン７０に載置された半導体ウェハーＷはサセプタ７３によって受け取られ、その下面をサセプタ７３の表面に支持されて上昇し、チャンバー６５内の透光板６１に近接した位置に水平姿勢にて保持される。逆に、サセプタ７３および加熱プレート７４が熱処理位置から搬入・搬出位置に下降する過程においては、サセプタ７３に支持された半導体ウェハーＷは支持ピン７０に受け渡される。
半導体ウェハーＷを支持するサセプタ７３および加熱プレート７４が熱処理位置に上昇した状態においては、それらに保持された半導体ウェハーＷと光源５との間に透光板６１が位置することとなる。なお、このときのサセプタ７３と光源５との間の距離についてはモータ４０の回転量を制御することにより任意の値に調整することが可能となっている。
また、チャンバー６５の底板６２と移動板４２との間には筒状体４１の周囲を取り囲むようにしてチャンバー６５を気密状体に維持するための伸縮自在の蛇腹７７が配設されている。サセプタ７３および加熱プレート７４が熱処理位置まで上昇したときには蛇腹７７が収縮し、サセプタ７３および加熱プレート７４が搬入・搬出位置まで下降したときには蛇腹７７が伸長してチャンバー６５内の雰囲気と外部雰囲気とを遮断する。
チャンバー６５における開口部６６と反対側の側板６３には、開閉弁８０に連通接続された導入路７８が形成されている。この導入路７８は、チャンバー６５内に処理に必要なガス、例えば不活性な窒素ガスを導入するためのものである。一方、側板６４における開口部６６には、開閉弁８１に連通接続された排出路７９が形成されている。この排出路７９は、チャンバー６５内の気体を排出するためのものであり、開閉弁８１を介して図示しない排気手段と接続されている。
また、チャンバー６５内の側板６４の内壁には光ガイド８２が設けられている。図４に示すように、サセプタ７３および加熱プレート７４が熱処理位置まで上昇したときに、光ガイド８２が加熱プレート７４の近傍に位置するように設置されている。この光ガイド８２は、石英ロッドおよび光ファイバにて構成されており、フラッシュランプ６９から放射された光を受光してチャンバー６５の外部のパワーモニタ８３にまで導出する（図７参照）。パワーモニタ８３は、光ガイド８２によって導出された光を受光して、フラッシュランプ６９から放射された光の主に可視光域の強度を測定する。
本実施形態の熱処理装置１００においては、位置決め部１３０に吸収比率測定装置を設けている。図５は、吸収比率測定装置３０の構成を示すための図である。吸収比率測定装置３０は、測定光学系３１と、この測定光学系３１に対して投光用光ファイバ３２を介して結合された投光器３３と、測定光学系３１に対して受光用光ファイバ３４を介して結合された分光器３５とを含む。投光器３３は、一定光量の光を発生する。投光器３３から出射された光は、測定光学系３１から位置決め部１３０のピンに保持された半導体ウェハーＷの表面に向けて照射され、該表面にて反射される。その反射光は、測定光学系３１を介して、受光用光ファイバ３４から分光器３５に与えられるようになっている。分光器３５の出力信号はコントローラ１０に入力される。
図６は、測定光学系３１の構成を説明するための図である。測定光学系３１は、下から順に、アクロマティックレンズ３６、ハーフミラー３７および全反射ミラー３８を鉛直方向に沿って配列している。また、全反射ミラー３８からの反射光が向かう方向に沿ってディフューザ３９を配置している。
ハーフミラー３７は、位置決め部１３０のピンに保持される半導体ウェハーＷに対して４５°の角度（水平面に対して４５°の角度）をなす姿勢で設けられており、投光用光ファイバ３２の出射端３２ａからの水平方向の光を受け、これを鉛直方向下方に向けて反射し、半導体ウェハーＷの表面に向かわせる。ハーフミラー３７によって反射された光は、アクロマティックレンズ３６を透過して半導体ウェハーＷの表面に到達する。
そして、半導体ウェハーＷの表面にて反射された反射光は、アクロマティックレンズ３６およびハーフミラー３７を順に透過し、全反射ミラー３８によってディフューザ３９に向けて反射される。ディフューザ３９に入射した反射光は拡散均一化処理を受けて、受光用光ファイバ３４の入射端３４ａに入射する。
すなわち、ディフューザ３９は、受光用光ファイバ３４の入射端３４ａと全反射ミラー３８との間に介挿されていて、その入射端面３９ａが全反射ミラー３８に対向するとともに、その出射端面３９ｂが受光用光ファイバ３４の入射端３４ａに対向している。また、アクロマティックレンズ３６は、半導体ウェハーＷからの反射光をディフューザ３９の入射端面３９ａに集束させる働きを有する。
受光用光ファイバ３４に入射された光は、分光器３５によってスペクトル分解処理を受け、この処理結果として分光器３５から出力された信号がコントローラ１０に入力される。コントローラ１０は、後述するようにして半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率を算出する。
コントローラ１０は、熱処理装置１００の処理部１６０や吸収比率測定装置３０を制御するとともに、後述するようにして位置決め部１３０に保持されている半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率を算出する。図７は、コントローラ１０の構成を示すブロック図である。コントローラ１０のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、コントローラ１０は、各種演算処理を行うＣＰＵ１１、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ１２、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭ１３および制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスク１４をバスライン１９に接続して構成されている。
また、バスライン１９には、処理部１６０のランプ電源９９、吸収比率測定装置３０の分光器３５およびパワーモニタ８３が電気的に接続されている。コントローラ１０のＣＰＵ１１は、磁気ディスク１４に格納された制御用ソフトウェアを実行することにより、パターン形成がなされていない無地ウェハーに対する半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率を測定するとともに、フラッシュランプ６９に供給する電力を調整する。
さらに、バスライン１９には、表示部２１および入力部２２が電気的に接続されている。表示部２１は、例えば液晶ディスプレイ等を用いて構成されており、処理結果やレシピ内容等の種々の情報を表示する。入力部２２は、例えばキーボードやマウス等を用いて構成されており、コマンドやパラメータ等の入力を受け付ける。装置のオペレータは、表示部２１に表示された内容を確認しつつ入力部２２からコマンドやパラメータ等の入力を行うことができる。なお、表示部２１と入力部２２とを一体化してタッチパネルとして構成するようにしても良い。
次に、本発明にかかる熱処理装置１００による半導体ウェハーＷの熱処理動作について説明する。この熱処理装置１００において処理対象となる半導体ウェハーＷは、イオン注入後の半導体ウェハーである。ここでは、熱処理装置１００全体におけるウェハーフローについて説明した後、吸収比率測定装置３０による半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率測定および処理部１６０における処理内容について説明する。
熱処理装置１００では、まず、イオン注入後の半導体ウェハーＷがキャリア９１に複数枚収容された状態で基板収容部１１０上に載置される。そして、受渡ロボット１２０がキャリア９１から半導体ウェハーＷを１枚ずつ取り出し、位置決め部１３０に載置する。位置決め部１３０では、半導体ウェハーＷの位置決めの他に、吸収比率測定装置３０による光エネルギー吸収比率測定も行われる。
位置決め部１３０にて位置決めが行われた半導体ウェハーＷは搬送ロボット１５０の上側の搬送アーム１５１ａにより搬送室１７０内へと取り出され、搬送ロボット１５０が処理部１６０を向くように旋回する。
搬送ロボット１５０が処理部１６０に向くと、下側の搬送アーム１５１ｂが処理部１６０から先行する処理済の半導体ウェハーＷを取り出し、上側の搬送アーム１５１ａが未処理の半導体ウェハーＷを処理部１６０へと搬入する。このときに搬送ロボット１５０は、フラッシュランプ６９の長手方向と垂直に搬送アーム１５１ａ，１５１ｂをスライド移動させる。
次に、搬送ロボット１５０は冷却部１４０に向くように旋回し、下側の搬送アーム１５１ｂが処理済の半導体ウェハーＷを冷却部１４０内に載置する。冷却部１４０にて冷却された半導体ウェハーＷは受渡ロボット１２０によりキャリア９１へと返却される。
図８は、位置決め部１３０における半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率測定の手順を示すフローチャートである。実際に処理対象となる半導体ウェハーＷを上記のようなウェハーフローに沿って処理するのに先だって、反射率が既知の標準ウェハーおよびパターン形成がなされていない無地ウェハーを位置決め部１３０に搬入してそれらの反射強度を測定する。
まず、反射率が既知の標準ウェハーの反射強度測定が行われる（ステップＳ１）。標準ウェハーとしては例えばガラス板にＡｌ蒸着したものを採用すれば良い。このような標準ウェハーであれば表面が鏡面となるため反射率はほぼ１００％となる。かかる標準ウェハーを位置決め部１３０に搬入してピン上に載置し、測定光学系３１から標準ウェハーの表面に光を照射する。標準ウェハーの表面にて反射された反射光は、分光器３５によってスペクトル分解処理を受け、この処理結果として反射光の反射強度の分光特性がコントローラ１０に入力される。本明細書では、このような標準ウェハーの反射強度の分光特性を標準反射強度とする。
次に、パターン形成がなされていない無地ウェハーの反射強度測定が行われる（ステップＳ２）。無地ウェハーはパターン形成がなされていない未処理基板である点を除いては、通常に処理される半導体ウェハーＷと同じである。このような無地ウェハーを位置決め部１３０に搬入してピン上に載置し、測定光学系３１から無地ウェハーの表面に光を照射する。無地ウェハーの表面にて反射された反射光は、分光器３５によってスペクトル分解処理を受け、この処理結果として反射光の反射強度の分光特性がコントローラ１０に入力される。本明細書では、このような無地ウェハーの反射強度の分光特性を無地基板反射強度とする。
標準反射強度および無地基板反射強度の計測は、通常の処理対象となる半導体ウェハーＷの処理に先立って一度行っておけば良い。そして、上記のようにして得られた標準反射強度および無地基板反射強度は、コントローラ１０の磁気ディスク１４に記憶される。
次に、実際に処理対象となる半導体ウェハーＷの反射強度測定が行われる（ステップＳ３）。この測定は、処理対象の半導体ウェハーＷが位置決めのために位置決め部１３０に搬入される都度行われる。実際に処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入後であるため、既にパターン形成がなされているものである。受渡ロボット１２０によって位置決め部１３０に搬入されピン上に載置された半導体ウェハーＷの表面に測定光学系３１から光を照射する。処理対象の半導体ウェハーＷの表面にて反射された反射光は、分光器３５によってスペクトル分解処理を受け、この処理結果として反射光の反射強度の分光特性がコントローラ１０に入力される。本明細書では、このような処理対象の半導体ウェハーＷの反射強度の分光特性を処理対象基板反射強度とする。なお、処理対象の半導体ウェハーＷが位置決め部１３０に搬入される都度、その反射強度測定を行うのは、パターン形成の内容によってウェハー毎に反射強度が異なるからである。
処理対象の半導体ウェハーＷの反射強度測定が終了すると、ステップＳ４に進み、無地ウェハーが吸収した光エネルギーがコントローラ１０のＣＰＵ１１によって算出される。図９は、無地ウェハーが吸収した光エネルギーを説明する図である。同図において、縦軸は反射強度を示し、横軸は波数（波長の逆数）を示している。このような２次元座標にて反射強度を積分した値が反射光の光エネルギーとなる。すなわち、図９において、標準反射強度ＲＡを積分した値が標準ウェハーの反射光の光エネルギーＳＡであり、無地基板反射強度ＲＢを積分した値が無地ウェハーの反射光の光エネルギーＳＢである。従って、標準ウェハーの反射率がほぼ１００％であるとすると、光エネルギーＳＡから光エネルギーＳＢを減じた値（図９の斜線部の面積）が無地ウェハーが吸収した光エネルギーとして算出される。
なお、上記において、反射強度の積分範囲を１／８００〜１／４００、すなわち可視光域にしているのは、キセノンフラッシュランプ６９の波長分布が紫外域から赤外域にまでわたることおよびシリコンの半導体ウェハーＷが赤外線を透過することを考慮し、半導体ウェハーＷの加熱に寄与する波長域を選択したものである。
次に、ステップＳ５に進み、処理対象の半導体ウェハーＷが吸収した光エネルギーがコントローラ１０のＣＰＵ１１によって算出される。図１０は、処理対象の半導体ウェハーＷが吸収した光エネルギーを説明する図である。同図においては、標準反射強度ＲＡを積分した値が標準ウェハーの反射光の光エネルギーＳＡであり、処理対象基板反射強度ＲＣを積分した値が処理対象の半導体ウェハーＷの反射光の光エネルギーＳＣである。従って、光エネルギーＳＡから光エネルギーＳＣを減じた値（図１０の斜線部の面積）が処理対象の半導体ウェハーＷが吸収した光エネルギーとして算出される。
無地ウェハーが吸収した光エネルギーおよび処理対象の半導体ウェハーＷが吸収した光エネルギーの双方が算出されると、それらから無地ウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率がコントローラ１０のＣＰＵ１１によって算出される（ステップＳ６）。すなわち、次の数１によって無地ウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率ｒが算出される。
Figure 0004675579
一般にパターン形成がなされていない無地ウェハーよりも処理対象の半導体ウェハーＷの方が光を良く吸収するため、通常はＳＢ＞ＳＣとなり、その結果ｒ＞１となる。
このようにすれば、シンプルな光学系によって無地ウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率ｒを簡易に測定することができる。
以上のようにして、無地ウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率ｒを算出した後、第１実施形態ではフラッシュランプ６９から処理対象の半導体ウェハーＷに照射する光のエネルギーの適正値を算出している（ステップＳ７）。既述したように、フラッシュランプ６９から照射する閃光のエネルギー値は、パターン形成のなされていないベアウェハーにイオン注入を行い、そのイオン注入された無地ウェハーに実際に閃光照射を行ってから処理後の特性（例えばシート抵抗値等）を測定した結果に基づいて調整されている。つまり、イオン注入された無地ウェハーについては照射すべき光の適正エネルギー値が既知となっている。なお、照射光の適正エネルギー値とは、ウェハーにダメージを与えることなくイオン活性化を行うことができる必要十分なエネルギー値であり、通常無地ウェハーでは約２５Ｊ/ｃｍ2〜２８Ｊ/ｃｍ2程度の値となる。
ところが、無地ウェハーよりも処理対象の半導体ウェハーＷの方が光を良く吸収するため、無地ウェハーでは適正値であったとしてもそれと同等のエネルギーの閃光を実際の処理対象ウェハーに照射すると、表面温度が予定以上に上昇した結果ウェハー割れが生じたりすることも既述した通りである。
そこで、第１実施形態では、イオン注入された無地ウェハーに照射すべき光の適正エネルギー値および上記光エネルギー吸収比率ｒに基づいて、処理対象の半導体ウェハーＷに照射する閃光のエネルギーの適正値をコントローラ１０のＣＰＵ１１が算出し、その適正値にて閃光照射を行うようにランプ電源９９を制御している。具体的には、次の数２に基づいて、コントローラ１０のＣＰＵ１１が処理対象の半導体ウェハーＷに照射する閃光のエネルギーの適正値ＥＣを算出する。
Figure 0004675579
数２において、ＥＢはイオン注入された無地ウェハーに照射すべき光の適正エネルギー値であり、この適正エネルギー値は予め実験やシミュレーション等によって求められた上記の通りの値である。すなわち、イオン注入された無地ウェハーに照射すべき光の適正エネルギー値ＥＢおよび光エネルギー吸収比率ｒから処理対象の半導体ウェハーＷに照射する光のエネルギーの適正値ＥＣを算出するのである。なお、通常ｒ＞１となるため、ＥＣ＜ＥＢとなる。
処理対象の半導体ウェハーＷに照射すべき光のエネルギーの適正値ＥＣが算出されると、その適正値ＥＣにて光源５から閃光照射を行うようにコントローラ１０のＣＰＵ１１がランプ電源９９を制御する。具体的には、コントローラ１０からの指示に従って、フラッシュランプ６９の電極に接続されたコンデンサーに蓄電する電圧が調整される。コンデンサーに蓄電する電圧は電荷量を規定し、その電荷量によってフラッシュランプ６９から出射される閃光のエネルギー値が規定される。
なお、イオン注入された無地ウェハーとイオン未注入の完全なベアウェハーとでは微妙に反射率が異なり、処理対象の半導体ウェハーＷに照射すべき光のエネルギーの適正値ＥＣを算出するための基礎となる無地ウェハーに照射すべき光の適正エネルギー値ＥＢはイオン注入された無地ウェハーについての値であるため、光エネルギー吸収比率ｒを算出するのに使用する無地ウェハー（位置決め部１３０にて反射強度測定が行われる無地ウェハー）もイオン注入された無地ウェハーであることが好ましい。
処理部１６０での処理動作について更に説明を続ける。処理部１６０においては、サセプタ７３および加熱プレート７４が図３に示す半導体ウェハーＷの搬入・搬出位置に配置された状態にて、搬送ロボット１５０により開口部６６を介して半導体ウェハーＷが搬入され、支持ピン７０上に載置される。この半導体ウェハーＷは既に位置決め部１３０にてその光エネルギー吸収比率ｒが測定されたものであり、該半導体ウェハーＷに照射すべき閃光のエネルギーの適正値ＥＣも算出されている。半導体ウェハーＷの搬入が完了すれば、開口部６６がゲートバルブ６８により閉鎖される。しかる後、サセプタ７３および加熱プレート７４がモータ４０の駆動により図４に示す半導体ウェハーＷの熱処理位置まで上昇し、半導体ウェハーＷを水平姿勢にて保持する。また、開閉弁８０および開閉弁８１を開いてチャンバー６５内に窒素ガスの気流を形成する。
サセプタ７３および加熱プレート７４は、加熱プレート７４に内蔵されたヒータの作用により予め所定温度に加熱されている。このため、サセプタ７３および加熱プレート７４が半導体ウェハーＷの熱処理位置まで上昇した状態においては、半導体ウェハーＷが加熱状態にあるサセプタ７３と接触することにより予備加熱され、半導体ウェハーＷの温度が次第に上昇する。
この状態においては、半導体ウェハーＷはサセプタ７３を介して継続して加熱される。そして、半導体ウェハーＷの温度上昇時には、図示しない加熱プレート７４内部の温度センサにより、半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１になるような設定温度に加熱プレート７４の内部温度が到達したか否かが常に監視されている。
なお、この予備加熱温度Ｔ１は、例えば２００℃ないし６００℃程度の温度である。半導体ウェハーＷをこの程度の予備加熱温度Ｔ１まで加熱したとしても、半導体ウェハーＷに打ち込まれたイオンが拡散してしまうことはない。
やがて、半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１に到達すると、フラッシュランプ６９を点灯してフラッシュ加熱を行う。このときには、予め上記のようにして算出されている半導体ウェハーＷに照射すべき光のエネルギーの適正値ＥＣにてフラッシュランプ６９からの閃光照射が行われる。このフラッシュ加熱工程におけるフラッシュランプ６９の点灯時間は、０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンド程度の時間である。このように、フラッシュランプ６９においては、予め蓄えられていた静電エネルギーがこのように極めて短い光パルスに変換されることから、極めて強い閃光が照射されることになる。
このようなフラッシュ加熱により、半導体ウェハーＷの表面温度は瞬間的に温度Ｔ２に到達する。この温度Ｔ２は、１０００℃ないし１１００℃程度の半導体ウェハーＷのイオン活性化処理に必要な温度である。半導体ウェハーＷの表面がこのような処理温度Ｔ２にまで昇温されることにより、半導体ウェハーＷ中に打ち込まれたイオンが活性化される。
このとき、半導体ウェハーＷの表面温度が０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンド程度の極めて短い時間で処理温度Ｔ２まで昇温されることから、半導体ウェハーＷ中のイオン活性化は短時間で完了する。従って、半導体ウェハーＷに打ち込まれたイオンが拡散することはなく、半導体ウェハーＷに打ち込まれたイオンのプロファイルがなまるという現象の発生を防止することが可能となる。なお、イオン活性化に必要な時間はイオンの拡散に必要な時間に比較して極めて短いため、０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンド程度の拡散が生じない短時間であってもイオン活性化は完了する。
また、処理対象の半導体ウェハーＷに照射すべき光のエネルギーの適正値ＥＣにてフラッシュランプ６９からの閃光照射が行われるため、熱処理時に半導体ウェハーＷにダメージを与えることなくイオン活性化を行うことができる。
また、フラッシュランプ６９を点灯して半導体ウェハーＷを加熱する前に、加熱プレート７４を使用して半導体ウェハーＷの表面温度を２００℃ないし６００℃程度の予備加熱温度Ｔ１まで加熱していることから、フラッシュランプ６９により半導体ウェハーＷを１０００℃ないし１１００℃程度の処理温度Ｔ２まで速やかに昇温させることが可能となる。
フラッシュ加熱工程が終了した後に、サセプタ７３および加熱プレート７４がモータ４０の駆動により図３に示す半導体ウェハーＷの搬入・搬出位置まで下降するとともに、ゲートバルブ６８により閉鎖されていた開口部６６が開放される。そして、支持ピン７０上に載置された半導体ウェハーＷが搬送ロボット１５０により搬出される。以上のようにして、一連の熱処理動作が完了する。
＜２．第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の熱処理装置の装置構成および処理部１６０での半導体ウェハーＷに対する熱処理動作は第１実施形態と同じであるため、その説明は省略する。第２実施形態が第１実施形態と異なるのは、無地ウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率ｒの利用手法であり、第２実施形態では光エネルギー吸収比率ｒからフラッシュ加熱時の処理対象半導体ウェハーＷの予想温度を算出している。
図１１は、処理対象となる半導体ウェハーＷの加熱時の予想温度を算出する手順を示すフローチャートである。同図において、ステップＳ１１〜Ｓ１６までの処理手順は図８のステップＳ１〜ステップＳ６までの処理手順の内容と全く同じであり、第１実施形態と同様にパターン形成がなされていない無地ウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率ｒが算出される。
そして、第２実施形態では算出した光エネルギー吸収比率ｒに基づいてフラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの到達予想温度を算出している（ステップＳ１７）。上述したように、フラッシュランプ６９から照射する光のエネルギー値は、パターン形成のなされていない無地のベアウェハーにイオン注入を行い、そのイオン注入された無地ウェハーに実際に光照射を行ってから処理後の特性を測定した結果に基づいて調整されている。つまり、通常状態においてはフラッシュランプ６９から照射する閃光のエネルギー値は、イオン注入された無地ウェハーについて照射すべき閃光の適正エネルギー値に設定されている。
ところが、無地ウェハーよりも処理対象の半導体ウェハーＷの方が光を良く吸収するため、無地ウェハーについての適正エネルギー値の閃光を実際の処理対象ウェハーに照射すると、表面温度が予定以上に上昇する。第２実施形態では、無地ウェハーについての適正エネルギー値の光を実際の処理対象半導体ウェハーＷに照射したときの予想温度をコントローラ１０のＣＰＵ１１が算出しているのである。
具体的には、まず、パターン形成がなされていないイオン注入後の無地ウェハーに照射する光のエネルギー値とその無地ウェハーの温度との相関を予め実験やシミュレーション等によって求めておく。そして、無地ウェハーについて照射すべき光の適正エネルギー値ＥＢに無地ウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率ｒを乗じたｒ・ＥＢをＣＰＵ１１が算出する。このｒ・ＥＢは、エネルギー値ＥＢの光を処理対象の半導体ウェハーＷに照射したときに該半導体ウェハーＷが吸収するエネルギーと同等のエネルギーを無地ウェハーに吸収させるのに必要な照射光のエネルギー値である。従って、無地ウェハーに照射する光のエネルギー値とその無地ウェハーの温度との相関関係においてｒ・ＥＢに対応する温度がエネルギー値ＥＢの光を処理対象の半導体ウェハーＷに照射したときに該半導体ウェハーＷが到達する予想温度となる。
このように、第２実施形態においては、パターン形成がなされていないイオン注入後の無地ウェハーに照射する光のエネルギー値とその無地ウェハーの温度との相関関係および無地ウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率ｒに基づいて、フラッシュ加熱時の処理対象半導体ウェハーＷの予想温度を簡便に算出している。
そして、算出された予想温度と所定の閾値とがＣＰＵ１１によって比較される（ステップＳ１８）。所定の閾値は、例えば半導体ウェハーＷにスリップが生じる温度として予め設定しておけば良い。比較の結果、算出されたフラッシュ加熱時の処理対象半導体ウェハーＷの予想温度が閾値を超えている場合には、ステップＳ１９に進み、コントローラ１０が警告を発する。警告発報は、例えば表示部２１に警告メッセージを表示するようにすれば良い。
一方、予想温度が閾値以下である場合には、そのまま処理を続行し、フラッシュランプ６９によるフラッシュ加熱を行うようにすれば良い。
第２実施形態のようにすれば、フラッシュ加熱を行う前に処理対象の半導体ウェハーＷの到達予想温度を算出することができるため、それに基づいてフラッシュランプ６９から照射する光のエネルギー値を調整すれば、熱処理時に半導体ウェハーＷにダメージを与えることを未然に防止することができる。
なお、第２実施形態においては、パターン形成がなされていないイオン注入後の無地ウェハーに照射する光のエネルギー値とその無地ウェハーの温度との相関関係および無地ウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率ｒに基づいて、フラッシュ加熱時の処理対象半導体ウェハーＷの予想温度を簡便に算出しているため、光エネルギー吸収比率ｒを算出するのに使用する無地ウェハー（位置決め部１３０にて反射強度測定が行われる無地ウェハー）もイオン注入された無地ウェハーであることが好ましい。また、パターン形成がなされておらずイオン注入もされていない無地ウェハー（完全なベアウェハー）に照射する光のエネルギー値とそのベアウェハーの温度との相関関係が予め実験やシミュレーション等によって判明しているのであれば、その相関関係およびベアウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率ｒに基づいて、フラッシュ加熱時の処理対象半導体ウェハーＷの予想温度を算出することが適当であるため、光エネルギー吸収比率ｒを算出するのに使用する無地ウェハーもイオン注入されていない完全なベアウェハーであることが好ましい。
＜３．第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態の熱処理装置の装置構成および処理部１６０での半導体ウェハーＷに対する熱処理動作は第１実施形態と同じであるため、その説明は省略する。第３実施形態が第１実施形態と異なるのは、無地ウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率ｒの算出手法であり、第３実施形態では標準ウェハーを使用することなく光エネルギー吸収比率ｒを算出している。
図１２は、半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率測定手順の他の例を示すフローチャートである。この測定手順を実行するのに先立って、予めパターン形成がなされていないイオン注入後の無地ウェハーの反射率を実験によって求めておく。この反射率はＲＡＭ１３や磁気ディスク１４に記憶しておく。このように無地ウェハーの反射率が既知となっている状態において、無地ウェハーの反射強度測定が行われる（ステップＳ２１）。反射率が既知の無地ウェハーがイオン注入後のものである場合には、反射強度測定もイオン注入後のものについて行う。この測定自体は第１実施形態のステップＳ２と同じであり、測定の結果無地基板反射強度が得られる。
次に、無地基板反射強度および既知の無地ウェハーの反射率に基づいて、反射率が１００％の理想鏡に光を照射したときの反射光の分光反射強度である理想反射強度がＣＰＵ１１によって算出される（ステップＳ２２）。具体的には、ステップＳ２１にて求められた無地基板反射強度を無地ウェハーの反射率にて除算することにより理想反射強度を算出する。この理想反射強度は第１実施形態における反射率がほぼ１００％の標準ウェハーの分光反射強度（標準反射強度）と実質的に等しくなる。
図１２のステップＳ２３〜Ｓ２７の処理手順の内容は、図８のステップＳ３〜Ｓ７の処理手順と全く同じである。但し、第３実施形態では、標準反射強度に代えて理想反射強度を使用している。すなわち、実際に処理対象となる半導体ウェハーＷの反射強度測定を行った後（ステップＳ２３）、標準反射強度ＲＡの代わりに理想反射強度を使用して無地ウェハーが吸収した光エネルギーおよび処理対象の半導体ウェハーＷが吸収した光エネルギーを算出する（ステップＳ２４，Ｓ２５）。そして、それらの双方から無地ウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率がコントローラ１０のＣＰＵ１１によって算出される（ステップＳ２６）。その後、第１実施形態と同じく、イオン注入された無地ウェハーに照射すべき光の適正エネルギー値および上記光エネルギー吸収比率に基づいて、処理対象の半導体ウェハーＷに照射する閃光のエネルギーの適正値が算出される（ステップＳ２７）。
このように、第３実施形態では、反射率がほぼ１００％の標準ウェハーの分光反射強度を測定する代わりに、反射率が既知の無地ウェハーの分光反射強度を測定してその結果から反射率が１００％の理想鏡に光を照射したときに得られるはずの理想反射強度を算出し、標準反射強度に代えて理想反射強度を使用して光エネルギー吸収比率ｒを算出している。このようにしても、理想反射強度の物理的意義は標準反射強度と同じであるため、第１実施形態と同じように処理対象の半導体ウェハーＷに照射する光のエネルギーの適正値ＥＣを算出することができる。ガラス板にＡｌ蒸着した標準ウェハーは比較的高価であるため、第３実施形態のようにした方がコスト上昇を抑制することができる。
なお、第３実施形態では、イオン注入後の無地ウェハーの反射強度測定を行うようにしていたが、パターン形成がなされておらずイオン注入もされていない無地ウェハー（完全なベアウェハー）の反射強度測定を行って理想反射強度の算出を行うようにしても良い。完全なベアウェハーの反射率は広く知られており、ベアウェハーの反射強度測定を行って得られた無地基板反射強度から理想反射強度の算出を行うようにすれば、容易に正確な理想反射強度を算出することができる。但し、この場合であっても処理対象の半導体ウェハーＷに照射すべき光のエネルギーの適正値を算出するための基礎となる無地ウェハーに照射すべき光の適正エネルギー値はイオン注入された無地ウェハーについての値であるため、無地ウェハーが吸収した光エネルギーを算出するために使用する無地基板反射強度はイオン注入された無地ウェハーを実測して求めるのが好ましい。また、無地基板反射強度の計測は、通常の処理対象となる半導体ウェハーＷの処理に先立って一度行っておけば良い。
＜４．第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第４実施形態の熱処理装置の装置構成および処理部１６０での半導体ウェハーＷに対する熱処理動作は第１実施形態と同じである。第４実施形態においては、フラッシュ加熱を行ったときの処理対象半導体ウェハーＷの推定到達温度をリアルタイムで算出している。
図１３は、イオン注入された無地ウェハーにフラッシュ加熱を行ったときの照射光エネルギーとシート抵抗値との相関を示す図である。シート抵抗値は、ウェハーが到達した表面温度を示す指標であり、フラッシュ加熱後の無地ウェハーに四端子法を適用して測定した値である。シート抵抗値が同じであることは、フラッシュ加熱時にウェハーが到達した表面温度が等しいこと示している。この測定は、予備加熱温度が４００℃、４５０℃、５００℃となる３温度について行い、各予備加熱温度ごとに照射光エネルギーを変化させてシート抵抗値を測定している。
同図に示すように、予備加熱温度に関わらず照射光エネルギーが２３Ｊ/ｃｍ2〜２９Ｊ/ｃｍ2の領域において、照射光エネルギーとシート抵抗値との相関に良好な直線関係が認められる。しかも、予備加熱温度に関わらず直線領域における傾きはほぼ一定である。このことから予備加熱温度の５０℃が照射エネルギーの約２Ｊ/ｃｍ2に相当するものと考えることができる。つまり、予備加熱温度が５０℃低くても照射エネルギーを約２Ｊ／ｃｍ2大きくすればウェハ表面温度を同程度にすることができ、１Ｊ／ｃｍ2の照射光エネルギーによってウェハ表面温度が約２５℃上昇するものと推察することができる。よって、イオン注入された無地ウェハーにフラッシュ加熱を行ったときの表面到達温度は次の数３によって示すことができる。
Figure 0004675579
数３において、Ｔｓはイオン注入された無地ウェハーのフラッシュ加熱時の表面到達温度であり、Ｔａは予備加熱温度であり、Ｊはフラッシュ加熱時の照射光エネルギーである。第２実施形態において既述したように、実際の処理対象半導体ウェハーＷにエネルギーＪの閃光を照射したときには、無地ウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率ｒを乗じたｒ・Ｊのエネルギーが吸収されることとなる。従って、照射光エネルギーＪの閃光を処理対象の半導体ウェハーＷに照射したときの表面到達温度Ｔｓｅｒｆは次に数４によって示される。
Figure 0004675579
但し、フラッシュ加熱時の照射光エネルギーＪを直接観測することはできないため、パワーモニタ８３によって測定されたフラッシュランプ６９からの放射光強度Ｍを使用する。本発明者の調査によって、パワーモニタ８３によって観測されるフラッシュランプ６９からの放射光強度Ｍと放射光のエネルギーＪとの間には直線関係の相関関係が存在することが判明しており、その係数をβとすると、結局フラッシュ加熱時の処理対象の半導体ウェハーＷの表面到達温度Ｔｓｅｒｆは次に数５によって示される。
Figure 0004675579
処理対象の半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱を行うときには、コントローラ１０のＣＰＵ１１が予め求められている予備加熱温度Ｔａ、光エネルギー吸収比率ｒ、係数βとパワーモニタ８３によって実測された放射光強度Ｍから数５に従って半導体ウェハーＷの表面到達温度Ｔｓｅｒｆを算出する。そして、算出された表面到達温度Ｔｓｅｒｆは、例えば、表示部２１に表示するようにすればよい。
＜５．変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明は上記の例に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては光源５に３０本のフラッシュランプ６９を備えるようにしていたが、これに限定されずフラッシュランプ６９の本数は任意のものとすることができる。
また、光源５にフラッシュランプ６９に代えて他の種類のランプ（例えばハロゲンランプ）を備え、当該ランプからの光照射によって半導体ウェハーＷの加熱を行う熱処理装置であっても本発明に係る技術を適用することができる。この場合であっても、ベアウェハーに対する処理対象の半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率から処理対象の半導体ウェハーＷに照射すべき光のエネルギーの適正値を算出したり、熱処理時の半導体ウェハーＷの到達予想温度を算出することができる。
また、上記実施の形態では、基板収容部１１０にキャリア９１が２つ載置されるが、キャリア９１が１つだけ載置されてもよく、３つ以上であってもよい。また、受渡ロボット１２０が２つのキャリア９１間を移動するようになっているが、受渡ロボット１２０が２つ設けられてもよい。
また、搬送ロボット１５０の上側の搬送アーム１５１ａを未処理の半導体ウェハーＷを保持する専用のアームとして設計し、下側の搬送アーム１５１ｂを処理済の半導体ウェハーＷを保持する専用のアームとして設計することにより、搬送ロボット１５０の小型化、および搬送の信頼性の向上を図ることができる。
また、標準ウェハーとしてはガラス板にＡｌ蒸着したものに限定されず、反射率が既知のウェハーであればよい。反射率が既知であれば、その反射率と反射強度とから全反射時の反射強度を算定することができるからである。
また、吸収比率測定装置３０は位置決め部１３０に設置することに限定されず、基板収容部１１０から処理部１６０に半導体ウェハーＷを搬送する経路上のいずれかの位置に設置するようにすれば良い。
また、上記第２実施形態においては、無地ウェハーについての適正エネルギー値の光を実際の処理対象半導体ウェハーＷに照射するようにしていたが、これに限定されるものではなく、エネルギー値が既知の光を実際の処理対象半導体ウェハーＷに照射する形態であれば、該エネルギー値と無地ウェハーに対する処理対象半導体ウェハーＷの光エネルギー吸収比率ｒとから熱処理時の処理対象半導体ウェハーＷの到達予想温度を算出することができる。
また、上記実施形態においては、半導体ウェハーに光を照射してイオン活性化処理を行うようにしていたが、本発明にかかる熱処理装置による処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではない。例えば、窒化シリコン膜や多結晶シリコン膜等の種々のシリコン膜が形成されたガラス基板に対して本発明にかかる熱処理装置による処理を行っても良い。一例として、ＣＶＤ法によりガラス基板上に形成した多結晶シリコン膜にシリコンをイオン注入して非晶質化した非晶質シリコン膜を形成し、さらにその上に反射防止膜となる酸化シリコン膜を形成する。この状態で、本発明にかかる熱処理装置により非晶質のシリコン膜の全面に光照射を行い、非晶質のシリコン膜が多結晶化した多結晶シリコン膜を形成することもできる。
また、ガラス基板上に下地酸化シリコン膜、アモルファスシリコンを結晶化したポリシリコン膜を形成し、そのポリシリコン膜にリンやボロン等の不純物をドーピングした構造のＴＦＴ基板に対して本発明にかかる熱処理装置により光照射を行い、ドーピング工程で打ち込まれた不純物の活性化を行うこともできる。
本発明にかかる熱処理装置を示す平面図である。 本発明にかかる熱処理装置を示す正面図である。 図１の熱処理装置の処理部を示す側断面図である。 図１の熱処理装置の処理部を示す側断面図である。 位置決め部に設けられた吸収比率測定装置の構成を示すための図である。 測定光学系の構成を説明するための図である。 コントローラの構成を示すブロック図である。 位置決め部における半導体ウェハーの光エネルギー吸収比率測定の手順を示すフローチャートである。 無地ウェハーが吸収した光エネルギーを説明する図である。 処理対象の半導体ウェハーが吸収した光エネルギーを説明する図である。 処理対象となる半導体ウェハーの加熱時の予想温度を算出する手順を示すフローチャートである。 半導体ウェハーの光エネルギー吸収比率測定手順の他の例を示すフローチャートである。 イオン注入された無地ウェハーにフラッシュ加熱を行ったときの照射エネルギーとシート抵抗値との相関を示す図である。
符号の説明
５ 光源
１０ コントローラ
１１ ＣＰＵ
２１ 表示部
３０ 吸収比率測定装置
３１ 測定光学系
３３ 投光器
３５ 分光器
６５ チャンバー
６９ フラッシュランプ
７３ サセプタ
７４ 加熱プレート
８２ 光ガイド
８３ パワーモニタ
９９ ランプ電源
１００ 熱処理装置
１３０ 位置決め部
１６０ 処理部
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (4)

  1. パターン形成がなされずにイオンが注入された無地基板に対する処理対象基板の光エネルギー吸収比率を測定する測定方法であって、
    反射率が既知の標準基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して標準反射強度を得る工程と、
    前記無地基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して無地基板反射強度を得る工程と、
    前記処理対象基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して処理対象基板反射強度を得る工程と、
    前記標準反射強度および前記無地基板反射強度から前記無地基板が吸収した光エネルギーを算出する工程と、
    前記標準反射強度および前記処理対象基板反射強度から前記処理対象基板が吸収した光エネルギーを算出する工程と、
    前記無地基板が吸収した光エネルギーおよび前記処理対象基板が吸収した光エネルギーから前記無地基板に対する前記処理対象基板の光エネルギー吸収比率を算出する工程と、
    を備えることを特徴とする光エネルギー吸収比率の測定方法。
  2. パターン形成がなされずにイオンが注入された無地基板に対する処理対象基板の光エネルギー吸収比率を測定する請求項１記載の測定方法を実施するための測定装置であって、
    反射率が既知の標準基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して標準反射強度を取得する標準反射強度取得手段と、
    前記無地基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して無地基板反射強度を取得する無地基板反射強度取得手段と、
    前記処理対象基板に光を照射したときに得られる反射光の反射強度の分光特性を測定して処理対象基板反射強度を取得する処理対象基板反射強度取得手段と、
    前記標準反射強度および前記無地基板反射強度から前記無地基板が吸収した光エネルギーを算出する無地基板吸収エネルギー算出手段と、
    前記標準反射強度および前記処理対象基板反射強度から前記処理対象基板が吸収した光エネルギーを算出する処理対象基板吸収エネルギー算出手段と、
    前記無地基板が吸収した光エネルギーおよび前記処理対象基板が吸収した光エネルギーから前記無地基板に対する前記処理対象基板の光エネルギー吸収比率を算出する吸収比率算出手段と、
    を備えることを特徴とする光エネルギー吸収比率の測定装置。
  3. 処理対象基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置であって、
    パターン形成がなされずにイオンが注入された無地基板に照射する光のエネルギー値と該無地基板の温度との相関関係が既知であり、
    処理対象基板を保持する保持手段と、
    ランプを有し、前記保持手段に保持された処理対象基板に所定エネルギーの光を照射する照射手段と、
    請求項２に記載の測定装置と、
    前記測定装置によって求められた光エネルギー吸収比率および前記相関関係に基づいて、前記照射手段から前記処理対象基板に光が照射されたときの該処理対象基板の温度を算出する温度算出手段と、
    を備えることを特徴とする熱処理装置。
  4. 請求項３記載の熱処理装置において、
    前記温度算出手段によって算出された温度が所定の閾値を超えていたときに警告を発する警告発生手段をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
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